Java基础-Map集合是怎么回事？

Map集合中的每个元素，都包含了一个键(key)和一个值(value)，key和value组成了键-值的映射表，我们称其为键值对。键用于唯一标识一个元素，值用于存储该元素的数据，一般情况下，这个key和value可以是任何引用类型的数据。其中，键key是无序、无下标、不重复的，最多只能有一个key为null。值value是无序、无下标、可重复的，可以有多个value为null。

并且这个key和value之间是单向的一对一关系，即通过指定的key，总能找到唯一的、确定的value。当我们想从Map中取出数据时，只要给出指定的key，就能取出对应的value。

2. 特点

根据上面我们对Map概念的讲解，把Map的主要特点给大家总结如下：

● Map和List不同，Map是一种双列集合；

● Map存储的是key-value的映射关系；

● Map不保证顺序。在遍历时，遍历的顺序不一定是put()时放入的key的顺序，也不一定是key的排序顺序。

3. 实现方式

在Java中，Map集合的实现方式主要有两种：基于哈希表和基于树结构。接下来壹哥给大家简单介绍一下基于这两种结构的Map集合。

3.1 基于哈希表的Map集合

基于哈希表的Map，其底层是基于哈希表作为数据结构的集合，主要的实现类是HashMap。在HashMap中，每个元素都包含一个键和一个值。当我们在添加元素时，HashMap会根据键的哈希值计算出对应的桶(Bucket)，并将元素存储到该桶中。如果不同的键具有相同的哈希值，就会出现哈希冲突，此时HashMap会使用链表或红黑树等数据结构来解决冲突。基于哈希表的Map集合具有快速的添加、删除和查找元素的特点，但元素的顺序是不确定的。

如何计算key的hash值、如何进行数组索引定位？

3.2 基于树结构的Map集合

基于树结构的Map集合，其底层是基于红黑树作为数据结构的集合，主要的实现类是TreeMap。在TreeMap中，每个元素也都包含一个键和一个值。我们在添加元素时，TreeMap会根据键的比较结果，将元素存储到正确的位置上，使得元素可以按照键的升序或降序排列。基于树结构的Map集合，具有快速查找和遍历元素的特点，但添加和删除元素的速度较慢。

4. 常用方法

Map集合的使用和其他集合类似，主要包括添加、删除、获取、遍历元素等操作。当我们调用put(K key, V value)方法时，会把key和value进行映射并放入Map。当调用V get(K key)时，可以通过key获取到对应的value；如果key不存在，则返回null。如果我们只是想查询某个key是否存在，可以调用containsKey(K key)方法。另外我们也可以通过 Map提供的keySet()方法，获取所有key组成的集合，进而遍历Map中所有的key-value对。

下表中就是Map里的一些常用方法，大家可以记一下，这些方法在Map的各实现子类中也都存在。

5. 常用实现类

Java中有多个Map接口的实现类，接下来给大家逐一简单介绍一下。

5.1 HashMap

HashMap是Java中最常用的Map集合实现类，它基于哈希表实现，具有快速查找键值对的优点。HashMap的存储方式是无序的，也就是说，遍历HashMap集合时，得到的键值对顺序是不确定的。下面是创建HashMap集合的代码示例：

5.2 TreeMap

TreeMap是Java中另一个常用的Map集合实现类，它基于红黑树实现，具有自动排序键值对的优点。TreeMap的存储方式是有序的，也就是说，遍历TreeMap集合时得到的键值对，是按照键的自然顺序或指定比较器的顺序排序的。下面是创建TreeMap集合的代码示例：

5.3 LinkedHashMap

LinkedHashMap是Java中另一个Map集合实现类，它继承自HashMap，并保持了插入顺序。也就是说，遍历LinkedHashMap集合时，得到的键值对的顺序是按照插入顺序排序的。下面是创建LinkedHashMap集合的代码示例：

5.4 Hashtable

Hashtable是Java中另一个Map集合实现类，它与HashMap非常相似，但Hashtable是线程安全的。Hashtable的存储方式是无序的，也就是说，遍历Hashtable集合时，得到的键值对的顺序是不确定的。下面是创建Hashtable集合的代码示例：

需要注意的是，由于Hashtable是线程安全的，所以在多线程环境中使用Hashtable的性能可能会较低，现在一般是建议使用ConcurrentHashMap。

5.5 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中的另一个Map集合实现类，它与Hashtable非常相似，但是ConcurrentHashMap是线程安全的，并且性能更高。ConcurrentHashMap的存储方式是无序的，也就是说，遍历ConcurrentHashMap集合时，得到的键值对的顺序是不确定的。下面是创建ConcurrentHashMap集合的代码示例：

需要注意的是，虽然ConcurrentHashMap是线程安全的，但仍然需要注意多线程环境下的并发问题。

二. HashMap集合

1. 简介

HashMap继承自AbstractMap类，实现了Map、Cloneable、java.io.Serializable接口，如下图所示：

HashMap是基于散列表实现的双列集合，它存储的是key-value键值对映射，每个key-value键值对也被称为一条Entry条目。其中的 key与 value，可以是任意的数据类型，其类型可以相同也可以不同。但一般情况下，key都是String类型，有时候也可以使用Integer类型；value可以是任何类型。并且在HashMap中，最多只能有一个记录的key为null，但可以有多个value的值为null。

HashMap中这些键值对(Entry)会分散存储在一个数组当中，这个数组就是HashMap的主体。默认情况下，HashMap这个数组中的每个元素的初始值都是null。但HashMap中最多只允许一条记录的key为null，允许多条记录的value为null。

另外HashMap是非线程安全的，即任一时刻如果有多个线程同时对HashMap进行写操作，有可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程的安全性要求，可以用 Collections.synchronizedMap()方法使得HashMap具有线程安全的能力，或者使用ConcurrentHashMap来替代。

HashMap实现了Map接口，会根据key的hashCode值存储数据，具有较快的访问速度。另外HashMap是无序的，不会记录插入元素的顺序。我们一般是根据key的hashCode值来存取数据，大多数情况下都可以直接根据key来定位到它所对应的值，因而HashMap有较快的访问速度，但遍历顺序却不确定。

2. 特点

根据上面的描述，把HashMap的核心特点总结如下：

● 基于哈希表实现，具有快速查找键值对的优点；

● HashMap的存储方式是无序的；

● HashMap的key-value可以是任意类型，但key一般都是String类型，value类型任意；

● HashMap最多只能有一个记录的key为null，但可以有多个value为null。

3. 常用操作

HashMap的使用方法和其他Map集合类似，主要包括添加元素、删除元素、获取元素、遍历元素等操作。接下来会详细地给大家介绍HashMap集合的常用操作。

3.1 创建Map集合对象

创建HashMap对象的方式有多种，我们可以使用构造函数，代码如下：

3.2 添加元素

向HashMap集合添加元素的方式和List集合类似，也是使用put()方法，下面是向HashMap集合中添加元素的代码示例：

看到上面的代码，有些小伙伴可能会问，如果我们往同一个Map中存储两个相同的key，但分别放入不同的value，这会有什么问题吗？

其实我们在Map中，重复地放入key-value并不会有任何问题，但一个key只能关联一个value。因为当我们调用put(K key, V value)方法时，如果放入的key已经存在，put()方法会返回被删除的旧value，否则就会返回null。所以Map中不会有重复的key，因为放入相同的key时，就会把原有key对应的value给替换掉。

3.3 删除元素

从HashMap集合中删除元素的方式也和List集合类似，使用remove()方法。下面是从HashMap集合中删除元素的代码示例：

3.4 获取元素

从HashMap集合中获取元素的方式和List集合不同，需要使用键来获取值。HashMap集合提供了两种方法来获取值，一种是使用get()方法，另一种是使用getOrDefault()方法。如果指定的键不存在，使用get()方法会返回null，而getOrDefault()方法则会返回指定的默认值。下面是从HashMap集合中获取元素的代码示例：

3.5 遍历元素

遍历HashMap集合的方式和List集合不同，需要使用迭代器或者foreach循环遍历键值对，下面是遍历HashMap集合的代码示例：

大家要注意，当我们使用Map时，任何依赖顺序的逻辑都是不可靠的。比如，我们存入"A"，"B"，"C" 3个key，遍历时，每个key会保证被遍历一次且仅遍历一次，但遍历的顺序完全没有保证，甚至对于不同的JDK版本，相同的代码遍历输出的顺序都可能是不同的！所以我们在 遍历Map时，要注意输出的key是无序的！

3.6 判断Map集合是否为空

判断HashMap集合是否为空可以使用isEmpty()方法，如果Map集合为空，则返回true，否则返回false。下面是判断HashMap集合是否为空的代码示例：

3.7 获取Map集合的大小

获取HashMap集合的大小可以使用size()方法，返回HashMap集合中键值对的数量，下面是获取HashMap集合大小的代码示例：

3.8 判断Map集合是否包含指定的键或值

如果我们想判断HashMap集合是否包含指定的键或值，可以使用containsKey()和containsValue()方法。如果Map集合包含指定的键或值，则返回true，否则返回false。下面是判断HashMap集合是否包含指定键或值的代码示例：

3.9 替换Map集合中的键值对

如果我们想替换HashMap集合中的键值对，可以使用replace()方法将指定键的值替换成新的值。如果指定的键不存在，则不进行任何操作。下面是替换HashMap集合中的键值对的代码示例：

3.10 合并两个Map集合

如果我们想合并两个HashMap集合，可以使用putAll()方法，将另一个HashMap集合中所有的键值对，添加到当前的HashMap集合中。下面是合并两个HashMap集合的代码示例：

3.11 获取Map集合中所有的键或值

如果我们想获取HashMap集合中所有的键或值，可以分别使用keySet()和values()方法。这两个方法会返回一个Set集合和一个Collection集合，它们包含了HashMap集合中所有的键或值。下面是获取HashMap集合中所有键或值的代码示例：

4. 原理概述(重点)

作为开发时最常用的Map集合，HashMap在我们面试时被问到的概率非常高，尤其是关于其原理、数据结构、冲突解决、并发、扩容等相关的内容，更是经常被问到。

如果我们想要了解HashMap的底层原理，首先得知道HashMap的底层数据结构，而这个数据结构在不同的JDK版本中是不同的。我们可以把HashMap的底层数据结构分为两大版本，即JDK 7及其以前的版本 和 JDK 8及其以后的版本。大家注意，本文主要是结合JDK 8的源码，给大家讲解HashMap的底层原理。

● 在JDK 7及其以前版本的HashMap中，其底层的数据结构是 数组+链表；

● 而从JDK 8开始则采用 数组+链表+红黑树 的数据结构，其中的数组是Entry类型或者说是Node类型数组。

5. hash冲突解决机制

因为HashMap底层会使用Hash算法来处理数据的存取，当数据非常多时就有一定的概率出现hash冲突，其解决过程如下。

● 当我们往HashMap中存储数据时，首先会利用hash(key)方法 计算出key的hash值，再利用该 hash值 与 HashMap数组的长度-1 进行 与运算，从而得到该key在数组中对应的下标位置；

● 如果该位置上目前还没有存储数据，则直接将该key-value键值对数据存入到数组中的这个位置；

● 如果该位置目前已经有了数据，则把新的数据存入到一个链表中；

● 当链表的长度超过阈值(JDK 8中该值为8)时，会将链表转换为红黑树(转换为红黑树还需要满足其他的条件，链表长度达到阈值只是其中的一个条件)。

通过这样的机制，HashMap就解决了存值时可能产生的哈希冲突问题，并可以大大提高我们的查找效率。

当然由于HashMap极其重要，它的内容非常多，尤其是原理性的内容更多。

三. Hashtable集合

1. 简介

Hashtable也是Java中的一个Map集合，它与HashMap非常相似，但Hashtable是线程安全的，而HashMap不是线程安全的。Hashtable也可以存储键值对，并可以通过键快速查找到对应的值，Hashtable的键和值也都可以是任何类型的对象。

因为Hashtable是线程安全的，因此适用于多线程环境。在多线程环境中，如果需要对Hashtable进行多个操作，需要使用synchronized关键字来保证线程安全。但需要我们注意的是，在多线程环境中使用Hashtable可能会影响性能，所以如果不需要保证线程安全，请尽量使用HashMap。

Hashtable集合的底层结构主要是数组+链表，数组是Entry数组，链表也是用Entry来实现的。所以Hashtable的底层核心，其实也是基于哈希表，它使用哈希函数将键映射到哈希表中的一个位置，从而实现快速查找。另外Hashtable的存储方式是无序的，也就是说，遍历Hashtable集合得到的键值对的顺序是不确定的。

2. 常用方法

Hashtable与HashMap类似，它的常用方法也与HashMap一样：

● put(K key, V value)：将指定的键值对存储到Hashtable中。

● get(Object key)：返回指定键所对应的值，如果不存在该键则返回null。

● remove(Object key)：从Hashtable中移除指定键所对应的键值对。

● containsKey(Object key)：判断Hashtable中是否包含指定的键。

● containsValue(Object value)：判断Hashtable中是否包含指定的值。

● size()：返回Hashtable中键值对的数量。

● clear()：移除Hashtable中的所有键值对。

3. 基本使用

下面是一个简单的Hashtable集合示例，演示了如何创建Hashtable集合、存储键值对、获取值、遍历集合等操作。

其他方法的使用与HashMap基本一致。

四. ConcurrentHashMap集合

1. 简介

由于在多线程环境下，常规的HashMap可能会在数组扩容及重哈希时出现 死循环、脏读 等线程安全问题，虽然有HashTable、Collections.synchronizedMap()可以取代HashMap进行并发操作，但因它们都是利用一个 全局的synchronized锁 来同步不同线程之间的并发访问，因此性能较差。

所以Java就从JDK 1.5版本开始，在J.U.C(java.util.concurrent并发包)中引入了一个高性能的并发操作集合---ConcurrentHashMap(可以简称为CHM)。该集合是一种线程安全的哈希表实现，相比Hashtable和SynchronizedMap，在多线程场景下具有更好的性能和可伸缩性。

并且ConcurrentHashMap集合在读数据时不需要加锁，写数据时会加锁，但锁的粒度较小，不会对整个集合加锁。而其内部又大量的利用了 volatile，final，CAS等lock-free(无锁并发)技术，减少了锁竞争对于性能的影响，具有更好的写并发能力，但降低了对读一致性的要求。因此既保证了并发操作的安全性，又确保了读、写操作的高性能，可以说它的并发设计与实现都非常的精巧。

另外ConurrentHashMap中的key与value都不能为null，否则会产生空指针异常！

2. ConcurrentHashMap类关系

ConcurrentHashMap与HashMap具有相同的父类AbstractMap，他俩可以说是“亲兄弟”，所以ConcurrentHashMap在一般的特性和使用上与HashMap基本是一致的，甚至很多底层原理也是相似的。

但两者所在的包是不同的，ConcurrentHashMap是在java.util.concurrent包中，HashMap是在java.util包中，我们可以参考下图：

以上所述的ConcurrentHashMap概念及特征，是不区分版本的，但实际上不同版本的ConcurrentHashMap内部实现差异很大，所以面试时经常会被问到不同版本之间的差异、各自特征。接下来对JDK 7 与 JDK 8 这两个经典版本分别进行阐述。

3. 实现原理

3.1 并发控制机制

在JDK 7中，ConcurrentHashMap的核心机制是分段锁(Segment)，每个Segment内部维护了一个哈希表，且这个哈希表是线程安全的。而ConcurrentHashMap中的每个操作，都是先对所在的Segment进行加锁，然后再执行具体的操作。

当多个线程对不同的Segment进行操作时，它们之间是并发的。当多个线程对同一个Segment进行操作时，它们会竞争锁，但不会影响到其他Segment的操作。这种机制有效地降低了锁的粒度，提高了并发访问效率。

ConcurrentHashMap的另一个优点是支持可伸缩性。当需要增加ConcurrentHashMap的容量时，我们只需要增加Segment的数量即可，这种机制使得ConcurrentHashMap在高并发场景下具有良好的可伸缩性。

3.2 JDK 7版本的ConcurrentHashMap

在JDK 7版本中，ConcurrentHashMap和HashMap的设计思路其实是差不多的，但为了支持并发操作，做了一定的改进。比如ConcurrentHashMap中的数据是一段一段存放的，我们把这些分段称之为Segment分段，在每个Segment分段中又有 数组+链表 的数据结构。默认情况下ConcurrentHashMap把主干分成了 16个Segment分段，并对每一段都单独加锁，我们把这种设计策略称之为 "分段锁"， ConcurrentHashMap就是利用这种分段锁机制进行并发控制的。JDK 7中ConcurrentHashMap的基本数据结构如下图所示：

在理想状态下，ConcurrentHashMap可以 同时支持16个线程 执行并发写操作，以及任意数量的线程进行并发读操作。在写操作时，通过分段锁技术，只对所操作的段加锁而不会影响其它分段，且在读操作时(几乎)不需要加锁。

3.3 JDK 8版本的ConcurrentHashMap

在JDK 8中，ConcurrentHashMap相对于JDK 7版本做了很大的改动，从实现的代码量上就可以看出来，JDK 7中ConcurrentHashMap不到2000行代码，而JDK 8中则有6000多行代码。

JDK 8中放弃了臃肿的Segment设计，取而代之采用了 Node数组 + 链表 + 红黑树 + CAS + Synchronized 技术来保证并发安全，实现并发控制操作。但是在ConcurrentHashMap的实现中保留了 Segment 的定义，这是为了 保证序列化时的兼容性，但并没有任何结构上的用处。在JDK 8中用synchronized替换ReentrantLock的原因大致如下:

● 减少内存开销: 如果使用ReentrantLock，就需要节点继承AQS来获得同步支持，这增加了内存开销，而JDK 8中只有头节点需要进行同步。

● 内部优化: synchronized是JVM直接支持的，JVM能够在运行时作出相应的优化措施，比如 锁粗化、锁消除、锁自旋等。

4. 基本使用

ConcurrentHashMap支持与HashMap相同的常用操作，如put、get、remove等。下面介绍一些常用操作。

4.1 插入元素

ConcurrentHashMap的put方法用于向集合中插入一个键值对，如果键已经存在，则会更新对应的值。下面是向ConcurrentHashMap中插入元素的示例：

根据上面代码的执行结果可知，ConcurrentHashMap中的键值对是无序的。

4.2 获取元素

ConcurrentHashMap的get方法用于获取指定键对应的值，如果键不存在，则返回null。下面是一个从ConcurrentHashMap中获取元素的示例：

4.3 删除元素

ConcurrentHashMap的remove方法用于从集合中删除指定键的元素，下面是一个从ConcurrentHashMap中删除元素的示例：

------------------------------正片已结束，来根事后烟----------------------------

五. 结语

至此，我们就把Map及其子类学习完了，现在你知道Map有什么特性及其用法了吗？接下来我们简单总结一下今天的重点吧：

● Map是一种映射表，可以通过key快速查找value；

● 可以通过for each遍历keySet()，也可以通过for each遍历entrySet()，直接获取key-value；

● 最常用的Map是HashMap；

● Hashtable是线程安全的集合，底层结构主要是数组+链表；

● ConcurrentHashMap可以良好地进行并发处理，是一种线程安全且高效的集合。

返回搜狐，查看更多